Дослідники з Орхуського університету визначили сім природних сполук кореня пшениці, які пригнічують нітрифікуючі ґрунтові бактерії так само сильно, як і синтетичні інгібітори нітрифікації, відкриваючи потенційний шлях розмноження сортів пшениці, які зберігають більше внесеного азоту, не вимагаючи додаткових хімічних речовин або жертви врожаєм.
Проблема азоту, з якою постійно стикається сільське господарство
Менше половини азоту, який використовується як добриво, фактично поглинається сільськогосподарськими культурами, а решта втрачається через вимивання у водні шляхи або газоподібні викиди в атмосферу у вигляді оксиду азоту, потужного парникового газу. Десятиліттями основною реакцією були нормативні обмеження на норми внесення та синтетичні інгібітори нітрифікації, хімічні речовини, які уповільнюють мікробне перетворення амонію в нітрат, але є дорогими, вимагають багаторазового внесення та можуть впливати на не-цільові ґрунтові організми.
Орхуська команда, очолювана докторантом Пурною Кумаром Хатрі, досліджувала, чи може сама пшениця виконувати цю функцію біологічно. Їхня робота зосереджена на біологічному інгібуванні нітрифікації, процесу, під час якого коріння рослин вивільняє природні сполуки, які пригнічують нітрифікуючі мікроби, відповідальні за перетворення амонію в більш схильну до вилуговування-нітратну форму.
Що таке бензоксазиноїди?
Бензоксазиноїди є вторинними метаболітами, які природним чином виробляються зерновими культурами, включаючи пшеницю, кукурудзу та жито, які традиційно вивчаються на предмет їх ролі в захисті рослин від комах, бур’янів і нематод. Дослідники з Орхуса перевірили 18 різних бензоксазиноїдних сполук за допомогою біолюмінесцентного аналізу з Nitrosomonas europaea, модельною нітрифікуючою бактерією, і виявили сім -, включаючи BOA, MBOA, DIBOA та DIMBOA -, здатних сильно пригнічувати нітрифікацію при відносно низьких концентраціях. Оскільки ці сполуки виробляються та вивільняються самою рослиною, а не застосовуються зовні, вони пропонують принципово інший механізм доставки, ніж синтетичні інгібітори: безперервне, локалізоване вивільнення саме там і тоді, коли рослина потребує захисту доступного азоту.
Сконструйовані лінії пшениці показують, що ефект можна посилити
У дослідженні порівнювали звичайну батьківську лінію пшениці з двома лініями пшениці, що несуть фрагмент хромосоми від Leymus racemosus, дикорослої трави, яка, як відомо, посилює ознаки біологічного інгібування нітрифікації. Вирощені на гідропоніці покращені лінії вивільняли значно вищі концентрації активних бензоксазиноїдів, ніж батьківська лінія, а їхні кореневі ексудати пригнічували нітрифікацію майже вдвічі сильніше -, що прямо корелювало з виміряними вищими концентраціями сполуки.
Робота з моделювання, яку цитують дослідники, свідчить про те, що біологічне -нітрифікаційне-інгібування-культур може зменшити втрати азоту на 20–30%, а перші польові випробування не показали зниження врожайності, пов’язаного з цією ознакою, тобто фермери в принципі можуть застосовувати менше добрив під час збирання порівнянних обсягів зерна. Хатрі сказав, що масштаби цієї можливості є значними навіть за помірного підвищення ефективності: «Якщо ви зможете збільшити-ефективність використання азоту навіть на десять відсотків у реальних польових умовах, абсолютна економія добрив і викидів буде величезною».
Від хімії до селекційної мішені
Довгострокова-мета полягає в тому, щоб перевести хімічні результати в стратегію селекції: як тільки дослідники визначать, які шляхи біосинтезу створюють найефективніші сполуки,-що інгібують нітрифікацію, селекціонери зможуть вибрати сорти пшениці, які виражають ознаки сильніше, не вимагаючи від фермерів змінювати практику чи купувати нові ресурси. Дослідження є частиною ширшого міжнародного проекту CropSustain, у якому паралельні дослідницькі групи вивчають, як ці ознаки впливають на мікробіоми ґрунту та не-цільові організми протягом тривалих часових проміжків - питання, яке має значення для регулятивного та комерційного застосування, навіть якщо основна біологія виявиться надійною.
Ці висновки з’явилися на тлі того, що глобальні ринки азоту залишаються нестабільними після аварії в Ормузькій протоці, яка призвела до-рекордного рівня цін на сечовину на початку цього року перед частковою корекцією. Хоча селекційні графіки для нітрифікації-пригнічення сортів пшениці працюють на багато-річному горизонті, а не пропонують негайне полегшення, дослідження додає до зростаючої кількості біологічних альтернатив - поряд із мікробними азот-фіксуючими продуктами, які вже комерціалізували компанії, зокрема Pivot Bio -, які могли б поступово зменшити структурний вплив сільськогосподарського сектора залежність від надходжень синтетичного азоту.
Дослідження «Бензоксазиноїди як сполуки-кандидати для біологічного інгібування нітрифікації у пшениці» було опубліковано в Plant Physiology and Biochemistry і проведено у співпраці з Університетом Копенгагена, Університетом Абердіна та Мексиканським Міжнародним центром покращення кукурудзи та пшениці (CIMMYT), який надав посівний матеріал для випробування.
